《数字电子技术》课程设计数字频率计设计.doc

课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 数字频率计设计 初始条件：计算机，EWB512软件要求完成的主要任务: 设计一简易数字频率计，其基本要求是：1)测量频率范围1Hz10Hz，量程分为4档，即×1，×10，×100，×1000。2)频率测量准确度.3)被测信号可以是下弦波、三角波和方波。4)显示方式为4位十进制数显示。5)使用EWB进行仿真。时间安排：第17周（7、8节）：理论讲解，新1-02第1819周：理论设计及实验室安装调试；地点：鉴主15通信工程实验室（1），鉴主13通信工程专业实验室；第20周：撰写设计报告及答辩；地点：鉴主17楼研究室。指导教师签名： 2008年 6月2 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 目 录摘 要1Abstract21.方案比较31.1方案一 数字频率计31.2 方案二 由ICM7216D构成的单片数字频率计42.实验原理72.1 数字频率计的基本原理722数字频率计的主要技术指标82.2.1频率准确度82.2.2频率测量范围82.3各部分的作用及电路选择82.3.1放大整形电路82.3.2 时基电路92.3.3 逻辑控制电路112.3.4 锁存器112.3.5计数器122.3.6 译码电路123 各部分电路仿真143.1放大整形电路的电路图和仿真143.2 时基电路的电路图和仿真153.3 逻辑控制电路的电路图和仿真163.4 计数器的电路图和仿真173.5 译码电路的电路图和仿真184总原理图195小结196元件清单217参考文献21摘 要在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。数字频率计测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量。 本文介绍了数字频率计的设计过程，并用EWB对电路进行了仿真。AbstractIn electronic technology, the frequency is one of the most basic parameters, and the Senate, and many of the measurement, the measurement results have very close relations, so the frequency of measurements, it is much more important. Measuring the frequency of a number of means, including electronic counter measure the frequency with high precision, ease of use, rapid measurement, and to facilitate realization of the advantages of full automation of measurement, frequency measurement is one of the important means. Digital frequency of measuring frequency in two ways: First, direct measurement of the frequency, or within a certain time gates measuring the number of detected signals in pulses; Second, the frequency of indirect measurement, such as measuring the frequency of cycles. Direct Frequency Measurement Law is applicable to high-frequency signals in the frequency of measurements, indirect Frequency Measurement Law is applicable to low-frequency signals in the frequency of measurement. In this paper, digital frequency of the design process, with EWB and the simulation of the circuit.数字频率计设计1.方案比较1.1方案一 数字频率计图1-1-1所示的是数字频率计的组成框图，被测信号Vx经放大电路变成计数器所要求的脉冲信号，其频率与被测信号的频率fx相同。时基电路提供标准时间基准信号，骑高点平持续时间t1=1s，当1s信号来到时，这门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，知道1s信号结束时闸门关闭，停止计数。若在闸门时间1s内计数器记得的脉冲个数为N，则被测信号频率fx=N（Hz）。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲，是显示器上的数字稳定；二是产生清零脉冲，是计数器每次测量从0开始计数。各信号之间的时序关系如图1-1-2所示图1-1-1 数字频率计的组成框图图1-1-2 数字频率计的波形图1.2 方案二 由ICM7216D构成的单片数字频率计 由ICM7216D构成的10MHz频率计电路如图1-2所示，他采用+5V单电源供电。高精度晶振体和C1、C2、R3构成10MHz并联震荡电路，以产生时间基准频率信号，经内部分频后产生闸门时间。被测频率从28脚输入。开关S1S9选择不同的工作模式，例如，当S4接通时，将1脚与D4连接为数据保持状态，但LED消隐。当S5接通时，全部数码管显示8，小数点也都亮。S1S5下面分别串接一只隔离二极管，防止开关接通时短路。S6为量程选择开关，将14脚分别与D1、D2、D3、D4连接，可一次获得0.01s、0.1s、1s和10s的闸门时间。SB1是复位清零按钮。SB2是读数保持按钮，其功能与开关S4不同，当SB2按下时计数器复零，但锁存器内部原有的数据被保存并现实出来。如图1-2所示，位输出用的8根输出线，一端分别接到D1D8的引脚上，另一端对应排列接至LED的公共阴极。同样7段输出a、b、c、d、e、f、g与小数点输出DP用的8根线分别接到8个LED的相应段上。第1位至第7位LED显示器的小数点均与DP端接通，第8位显示器的小数点用来表示输入频率过载。亦可在DP端与D8端直接外接一发光二极管作过载指示。图1-2所示电路中，R1和C3用来减小噪声，R3给内部振荡电路提供直流偏置，C2用来微调振荡频率，R2是下拉电阻，是保持端在常态下呈低电平。ICM7216D要求输入信号的高电平ViH3.5V低电平ViL1.9V，脉宽大于50ns，所以实际应用中，需根据具体情况加一些辅助电路。如用场效应管源极跟随器作输入缓冲级，后面再加一级宽带电压放大器、整形器、电平转换器，将被测信号变成标准的数字信号再输入28脚。图1-2-1 单片数字频率计的电路图ICM7216D为大规模集成电路，它把计数、锁存、译码、位和段驱动、量程及小数点选择等电路集成在一片芯片上，只需要外接少量元件就可以构成频率范围为10MHz的数字频率计。 该方案优点：电路结构简单，所需元器件少。缺点：电路原理复杂，且考虑到单片机需要用到编程，设计难度较大，不容易实现。 综合上述两种方案的优缺点，最终选择用方案一来实现本数字频率计的设计。2.实验原理2.1 数字频率计的基本原理     频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则没测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。本文。数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。频率计的设计关键是控制电路的设计，控制电路产生频率测量所需的闸门、清零和锁存信号。这些信号具有一定的时序关系。 为了保证测量的精确性，在每次闸门信号变为高信号前，必须给计数器提供一个清零信号。当闸门信号为高电平时，计数器开始计数；当闸门信号为低电平时，计数器停止计数。 如果闸门宽度为1S，则闸门时间内计数器的计数值即为被测信号的频率；改变闸门宽度可以改变频率计的量程，闸门宽度越小，频率计的量程越大。另一种扩大量程的方法为：闸门宽度保持不变，对被测信号先进行分频，然后再对其测频。相对来说，后者更加容易实现。 图2-1 数字频率计的组成框图22数字频率计的主要技术指标2.2.1频率准确度 一般用相对误差来表示,即 fx/fx=±(1/Tfx+|fc/fc|) 式中，1/Tfx=N/N=±1/N为量化误差(即±1个字误差),是数字仪器所特有的误差。当闸门时间T选定后,fx越低,量化误差越大; fc/fc=T/T为闸门时间相对误差,主要由时基电路标准频率的准确度决定, fc/fc1/Tfx 。2.2.2频率测量范围 在输入电压符合规定要求值时,能够正常进行测量的频率区间称为频率测量范围.频率测量范围主要由放大整形电路的频率响应决定. 2.2.3数字显示位数 频率计的数字显示位数决定了频率计的分辨率.位数越多,分辨率越高. 2.2.4测量时间 频率计完成一次测量所需要的时间,包括准备,计数,锁存和复位时间.2.3各部分的作用及电路选择2.3.1放大整形电路波形处理电路由晶体管3DG100与74LS00等组成，其中3DG100组成放大器将输入频率为fx的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。与非门74LS00构成施密特触发器，它对放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲2-3-1放大整形电路2.3.2 时基电路时基电路的作用是产生一个标准时间信号（高电平持续时间为1s），由定时器555构成的多谐振荡器产生（当标准时间的精度要求较高时，应通过晶体振荡器分频获得），如图2-3-2所示。若振荡器的频率f0=1/（t1+t2）=0.8Hz，则振荡器的输出波形如图1-1-2的波形所示，其中t1=1s，t2=0.25s。由公式t1=0.7（R1+R2）C和t2=1.7R2C,可计算出电阻R1、R2及电容C的值。若取电容C=10uF，则R2=t2/0.7C=35.7K 取标称值36K R1=(t1/0.7C)-R2=107K 取R1=47K RP=100K图2-3-2 时基电路的电路图 图2-3-3 555定时器内部电路 图2-3-4 555定时器引脚图 图2-3-5 555定时器功能表2.3.3 逻辑控制电路根据图1-1-2所示波形，在时基信号结束时产生的负跳变用来产生锁存信号，锁存信号的负跳变又用来产生清零信号。脉冲信号和可由两个555定时器构成的单稳态触发器产生，他们的脉冲宽度有电路的时间常数决定。555定时器的内部构成、引脚图及功能表如图2-3-6所示。设锁存信号和清零信号的脉冲宽度tw=0.02s，则Tw=0.45RextCext=0.02s若去Rext=10K，则Cext=tw/0.45Rext=4.4F 取标称值4.7F图2-3-6 逻辑控制电路的电路图2.3.4 锁存器锁存器的作用是将计数器在1S结束后所计的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值。如图2-2-4所示，1s计数时间结束时，逻辑控制电路发成出锁存信号，将此时计数器的值送译码显示器。选用8D锁存器74LS273可以完成上述功能。当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，即Q=D。从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。正脉冲结束后，无论D为何值，输出端Q的状态仍保持原来的状态Qn不变。所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码显示器。 图2-3-7 74LS273引脚图 图2-3-8 74LS273功能表2.3.5计数器计数器在T触发器输出信号的控制下，对经过整形的待测信号进行脉冲计数，所得结果乘以量程即为待测信号频率。根据精度要求，采用4个十进制计数器级联，构成N=1000计数器。十进制计数器采用74LS90实现。其电路图如图XXX所示。其中计数器的清零信号由延迟反相器提供，控制信号由T触发器提供，计数器输出结果送入锁存器。计数器的结果进入锁存器锁存，4个七段数码管显示测试信号的频率。图 2-3-9 74LS90功能表2.3.6 译码电路市场上比较多见数码显示器件是LED数码管，它有亮度高、售价低等特点，非常适合本电路制作。数码管的外形尺寸和内部构造如图所示，图2-4-0 数码管的外部图和内部构造主要参数如下：1.6V4.2V；功耗400mW，工作电流10mA；分共阳共阴两种极性，本电路选用共阴。其引脚按顶视图的（1）脚开始，顺时针读数，（3）脚和（8）脚为公共脚，其中（5）脚为小数点，本电路不做连接。引脚分别如下：数码管与配套的驱动集成器件一起工作，通常称为段译码器，本电路使用74LS48，共需四块。电路连接如下图。图2-4-1 译码电路的电路图3 各部分电路仿真3.1放大整形电路的电路图和仿真 图3-1-1 放大整形电路的电路图图3-1-1放大整形电路的仿真3.2 时基电路的电路图和仿真图3-2-1 时基电路的电路图图3-2-2 时基电路的仿真3.3 逻辑控制电路的电路图和仿真图3-3-1 逻辑控制电路的电路图图3-3-2 逻辑控制电路的仿真3.4 计数器的电路图和仿真图3-4-1 计数器的电路图图3-4-2计数器的仿真3.5 译码电路的电路图和仿真图3-4-3译码电路的电路图和仿真4总原理图图3-4-3 数字频率计的总原理图5小结这次的数电课程设计要结束了，忙碌了好多天，觉得收获颇大。一直学着理论知识，觉得没什么用，当把它变成实践时才发现了自己所学知识的不全面，让我对电路设计有了更深刻的认识，对课本的知识有了更好的理解，也有了将它付诸实践的经验和兴趣。拿着这份报告，觉得有些沉重，因为是自己的辛劳吧。学的这门课程是个新的世界，让我学到了新的知识，觉得每个元件都是块不同的积木，等我们把它堆积成不同的图案，想象力才是创造力的主导。6元件清单7参考文献1 康华光主编.电子技术基础 数字部分。高等教育出版社 20042 谢自美主编.电子线路设计 试验 测试（第三版）。华中理工大学 20003 杨晓慧主编.电子技术EDA实践教程。国防工业出版社 20054 孙梅生等编著 电子技术基础课程设计，高等教育出版社 20025